SHPB和混凝土材料动态力学性能研究.pdfVIP

第三届全国爆炸力学实验技术学术会议论文集 SHPB 与混凝土材料动态力学性能研究 胡时胜 (中国科学技术大学 中科院材料力学行为和设计重点实验室，合肥，230026) 摘要：SHPB 实验作为材料动态力学性能的最基本研究手段，已广泛应用于金属、高聚 物等材料。然而，当我们需要研究一些比较特殊的材料 （多孔介质，脆性材料或混凝土材料 等）时，SHPB 实验中的两个基本假定 （一维假定和均匀假定）就不容易得到满足，需要对 SHPB 实验技术提出修正和改进。本文针对混凝土材料的特殊情况，提出了与之相适应的 SHPB 实验技术：波形整形技术、万向头技术、数据处理方法和直接法测量等，并应用这些 技术，开展了对混凝土材料动态力学性能的研究；混凝土材料的损伤演化发展的研究；钢纤 维混凝土的纤维增强和增韧方面的研究，以及混凝土材料的层裂强度研究。 关键词：SHPB 混凝土 动态力学性能 损伤演化 层裂强度 纤维增强 一、SHPB 实验技术 1.1 前言 SHPB 实验装置从问世以来，已走过整整五十五个年头了，它作为研究材料动态力学性 能的最基本实验手段，已得到了广泛应用。当今，国内外一些从事材料动态力学性能研究的 高校或研究单位，大多都备有这类装置。随着新型工程材料不断涌现，研究对象不断拓宽， SHPB 实验技术又再次被提出。如果说过去人们对这一问题的讨论是为了使这一实验技术得 到普及推广，那么今天人们是希望这一实验技术能有新的发展提高。 众所周知，SHPB 实验技术的核心是二个基本假定：一维假定和均匀假定。根据一维假 定，我们可以借助于一维弹性波理论推导出确定试验材料应力—应变—应变率关系的基本公 式；根据均匀假定，我们可以进一步简化上述的基本公式。鉴于我们过去研究的材料大多为 金属、高聚物等，Hopkinson 压杆的直径可以做得很细，试件尺寸可以做得很小，试件材料 的变形又可以很大，因此以上二个基本假定还是比较容易得到满足的。然而，当我们需要研 究一些比较特殊的材料，例如泡沫塑料 （橡胶）或泡沫金属等波阻抗很低的多孔介质，例如 岩石、陶瓷等破坏应变很小的脆性材料，例如不仅脆性而且内部组份复杂，均匀性极差的混 凝土材料，SHPB 实验技术的两个基本假定就不容易得到满足，因此需要在实验技术上提出 修正和改进。 1.2 多孔介质 泡沫塑料 （橡胶）、泡沫金属等多孔介质大多具有很好的吸能特性，因此可广泛应用于 缓冲、减振以及防爆震等方面，而所有这些应用都需要通过SHPB 实验来研究这些多孔介质 的动态力学性能，了解应变率、密度 （孔隙率）等对其应力—应变关系的影响。然而在利用 SHPB 装置测定这些多孔介质的应力—应变关系时会遇到一些具体问题。第一，多孔介质的 泡孔尺寸，尤其是一些低密度（高孔隙率）的材料，其泡孔尺寸相对于SHPB 装置的杆径（通 常较细）已是一个不可忽略的量。为了确保实验数据的可靠性，要求所使用的SHPB 装置的 杆径要大一些，应比泡孔尺寸大一个量级以上。第二，多孔介质中的弹性波速很低，比压杆 中的弹性波速小一、二个量级，例如泡沫硅橡胶的弹性波波速只有几十米/秒，波在这些试 件内来回一次的时间较长，于是试件内部的应力不均匀性变得十分突出，需要认真考虑。周 179 第三届全国爆炸力学实验技术学术会议论文集 [1] 风华等人 曾就这一问题做过专门讨论，并将这种不均匀性分为 “时间不均匀性”和 “空间 不均匀性”，提出了简单时间平移法及三波法计算公式。刘剑飞等人[2]在此基础上又进一步 提出了不均匀时间平移法及相应的三波法计算公式。第三，由于多孔介质的波阻抗ρС很小， 约比压杆材料的小二、三个量级，因此进入输出杆中的透射波信号十分微弱，甚至与外界的 干扰信号处于同一个量级，已无法用常规的电阻应变片进行记录；同时返回输入杆中的反射 波与入射波信号又非常接近，已不能用它们俩之间的差值来确定试件加载侧的应力。为解决 这一难题， H. Zhao 等人[3]利用波阻抗较小的粘弹性Hopkinson 压杆测量泡沫塑料的动态压 缩应力—应变曲线。然而，采用粘弹性杆，既需要考虑粘弹性波的几何弥散和本构弥散，又 需要考虑粘弹性波的衰减，其数据处理十分复杂，另外粘弹性杆的强度偏低，容易发生动态 屈曲。Chen 等人[4] 曾利用空心管作为Hopkinson 压杆，试图缩小它与试件之间的波阻抗差距，